Environnement des signaux dans un système sans fil

La communication sans fil est l’un des secteurs technologiques les plus actifs à ce moment. Ce développement a été conduit principalement par la transformation de ce qui a été le média physique supportant les voix téléphoniques pour supporter d’autres services, tels que la transmission vidéo, image, texte, et données. Comme le développement de la transmission par câble dans les années 90, la demande de capacité des nouveaux systèmes sans fil se développe à un rythme très rapide. Bien qu’il y ait beaucoup de problèmes techniques à résoudre dans les communications par câble, des demandes de capacités additionnelles peuvent être satisfaites en grande partie avec l’addition de nouvelles infrastructures privées, tel que la fibre optique, les routeurs, commutateurs, et ainsi de suite. Malheureusement, la communication par câble n’est pas toujours la solution la plus pratique dans plusieurs situations d’où la nécessité de tourner vers les technologies sans fil. Or, d’ une part, les ressources traditionnelles qui ont été employées pour augmenter la capacité des systèmes sans fil sont la bande passante et la puissance de l’émetteur. Malheureusement, ces deux ressources sont parmi les plus limitées dans le déploiement des réseaux sans fil modernes: largeur de bande passante radio en raison de la limitation du spectre utile, et puissance de l’émetteur parce que les mobiles et les autres services portatifs exigent l’utilisation de la puissance des batteries, qui est limitée. Ces deux ressources ne s’accroissent pas ou même ne s’améliorent pas aux rythmes imposés par les demandes en termes de capacité des systèmes sans fil.

ENVIRONNEMENT D’UNE COMMUNICATION SANS FIL 

Il est bien connu qu’une meilleure qualité du service soit exigée dans les nouveaux systèmes radio mobiles. L’amélioration de la détection de données est toujours une issue prometteuse afin d’obtenir une meilleure implémentation du système et de réaliser le QoS exigé. Dans la plupart des travaux de recherches sur les systèmes radio mobiles, le bruit a une distribution gaussienne avec une variance connue. Cependant, la variance du bruit change aléatoirement dans les systèmes de transmissions réalistes, et par conséquent le bruit n’est pas strictement gaussien. En fait, la valeur exacte de la variance du bruit doit être estimée séparément à chaque temps d’observation, et seulement quand l’évaluation est basée sur un nombre suffisant de signaux qu’on peut avoir une bonne qualité de la détection de données.

Environnement des signaux dans un système sans fil

Technique de modulation pour un système mono-utilisateur 

Avant d’entamer sur les différentes méthodes avancées de traitements de signaux dans les récepteurs des systèmes sans fil, il est judicieux de spécifier en premier lieu les différents modèles de signaux utilisés dans les récepteurs sans fil.

Modulation à étalement de spectre par saut de fréquence 

La modulation par étalement de spectre peut également prendre la forme de la méthode de saut de fréquence . Typiquement, la fréquence porteuse change à un taux beaucoup plus lent que le taux des symboles. Cette méthode est connue sous le nom de méthode du saut de fréquence lente. Cependant, le saut rapide, dans lequel la fréquence porteuse change dans un intervalle de symbole, est également possible [4]. Remarquons que pour un système à saut de fréquence, la bande utilisée pour la transmission n’est limitée que par les limites en fréquence des divers circuits (oscillateur, modulateur,…..). D’autre part, les sauts de fréquences provoquent généralement des discontinuités de phases, et c’est pour cela qu’une démodulation non cohérente est adoptée au récepteur. Les systèmes mono porteuse, y compris ceux qui utilisent les deux types d’étalement de spectre, sont largement rependus dans les normes cellulaires, dans les LAN sans fil, Bluetooth et d’autres.

Techniques d’accès multiple 

La plupart des nouveaux systèmes sans fil utilise le mode d’accès multiple dans lequel des utilisateurs multiples partagent la même ressource radio. Pour cela, elle est décomposée en plusieurs voies et donnant ainsi la possibilité de mettre en commun plusieurs utilisateurs. Ceux-ci peuvent être vus comme une voie assignée dans la fréquence, l’espace, et le temps à différents utilisateurs [1]. La technique d’accès multiple classique est l’accès multiple à répartition de fréquence ou FDMA, dans lequel la bande de fréquence disponible pour un service donné est divisée en sousbandes qui sont assignées aux différents utilisateurs qui souhaitent utiliser le service. L’utilisation de la sous-bande est donnée exclusivement à l’utilisateur pendant sa session de transmission, mais il n’est pas permis de transmettre des signaux dans d’autres sous-bandes.

De la même manière que sur le FDMA, les utilisateurs peuvent partager le canal sur un accès multiple à répartition de temps ou TDMA, dans lequel le temps est divisé en des intervalles de longueur égale, qui peuvent être divisées à son tour en sous-intervalles de même taille. Chaque utilisateur peut transmettre dans toute la bande de fréquence assignée pendant un intervalle de temps mais n’a pas le droit dans d’autres intervalles de temps quand d’autres utilisateurs les utilisent. Ainsi, FDMA permet à chaque utilisateur d’utiliser une partie du spectre de fréquence pendant tout le temps de communication tandis que le TDMA permet à chaque utilisateur d’utiliser toute le spectre de fréquence pendant une partie du temps [4]. Les systèmes FDMA et TDMA sont prévus pour assigner des canaux orthogonaux à tous les utilisateurs actifs en donnant à chacun, pour leur usage exclusif, une tranche de la bande de fréquence disponible ou du temps de transmission. Ces canaux sont dits orthogonaux parce que l’interférence entre les utilisateurs ne doit pas exister, en principe, dans cette assignation ; bien qu’en pratique, il y a souvent une telle interférence. Le CDMA assigne des canaux d’une manière que tous les utilisateurs peuvent utiliser toutes les ressources de temps et de fréquences disponible simultanément, par l’attribution d’un modèle ou d’un code à chaque utilisateur. Ce code indique la manière dans laquelle les ressources seront utilisées par cet utilisateur. En générale, le CDMA est implémenté via la modulation par étalement de spectre, dans laquelle le modèle est un code pseudo-aléatoire qui détermine l’ordre de propagation dans le cas de la séquence direct : DS-CDMA, ou un modèle de saut de fréquence dans le cas du saut de fréquence : FH-CDMA. Dans de tel système, un canal est défini par un code pseudo-aléatoire particulier, ainsi chaque utilisateur est assigné à un canal en étant assigné à un code .

Modélisation d’un canal sans fil 

Caractéristiques d’un canal sans fil 

Du point de vue technique, la plus grande différence entre une communication sans fil et par câble se situe dans les propriétés physiques des canaux. Ces propriétés peuvent être décrites par plusieurs phénomènes distincts : bruits, pertes de propagation, trajets multiples, interférences et les différents résultats de l’utilisation des antennes multiples. Comme tous les canaux de transmission réels, les canaux sans fil sont corrompus par des bruits dus aux activités thermiques du récepteur et les autres sources de rayonnement. Ce bruit est modélisé en tant qu’ayant une bande passante très large, beaucoup plus que celle de tous les signaux utiles du canal. Aucune structure déterministe particulière n’est utilisée, car les bruits structurés peuvent être traité séparément comme étant de l’interférence [4,24]. Un modèle commune est utile pour traiter de tel bruit. On a retenu le bruit blanc gaussien additif AWGN c’est-à-dire qu’il est additif aux autres signaux dans le récepteur, a une densité spectrale de puissance plate et induit une distribution gaussienne à la sortie de n’importe quel filtre linéaire dans lequel il est entré. Il est à large bande mais induit une distribution d’amplitude non gaussienne à la sortie d’un filtre linéaire.

Les pertes de propagations sont également une des particularités des canaux sans fil. Elles se présentent sous deux (2) types de base :
➜ Les pertes de transmission: à cause de la nature ouverte des canaux sans fil.
➜ Le Shadow fading : résultats de la présence des objets (bâtiments, …) entre l’émetteur et le récepteur. Il est modélisé par une atténuation dans l’amplitude du signal et suit une distribution logarithmique.

Les trajets multiples se rapportent au phénomène dans lequel des copies multiples d’un signal transmis sont reçues au récepteur dus à la présence des chemins multiples par radio entre l’émetteur et le récepteur. Ils provoquent un changement très aléatoire de l’amplitude du signal reçu, ce phénomène est connu sous le nom de fading de Rayleigh [4]. Le fading par fréquence sélective survient lorsqu’il dépend de la longueur d’onde du signal. Par contre, s’il y a un mouvement relatif entre l’émetteur et le récepteur, l’évanouissement dépend du temps et on a le fading par temps sélectif. Quand la différence de longueurs des chemins est significative, d’où le retard causé par ceux-ci, par rapport à l’intervalle entre-symbole, il y a une dispersion du signal transmis, et entraine l’interférence entre-symbole ou ISI. L’ISI est le phénomène dans lequel des symboles adjacents arrivent au récepteur en même temps. La plupart des méthodes de transmission et de traitement de signal qui ont été développées pour les systèmes sans fil sont conçues pour atténuer les effets des trajets multiples. Par exemple, la technique pour les systèmes large bande comme l‘étalement de spectre est souvent utilisée pour réduire au minimum les effets du fading par fréquence sélective et facilite ainsi la résolution de la cohérence des copies multiples d’un même signal au niveau du récepteur [24,26]. Les trajets multiples se manifestent sur un système selon le degré de différence de chemins d’accès relatif à la longueur d’onde de la propagation, le débit de transmission, et le mouvement relatif entre l’émetteur et le récepteur. On utilise l’OFDM pour atténuer l’effet de la dispersion en haut débit, en divisant le signal haut-débit en plusieurs signaux de bas-débit travaillant en parallèle.

On a deux types d’interférences :
➜ L’interférence d’accès multiple ou MAI : se rapporte à l’interférence avec d’autre signal dans le même réseau que le signal utile. Ceci survient dans les systèmes FDMA, TDMA et CDMA
➜ L’interférence de Co-Channel ou CCI : se rapporte à l’interférence des signaux de différents réseaux, mais fonctionnent dans la même bande de fréquence que le signal utile.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1: ENVIRONNEMENT D’UNE COMMUNICATION SANS FIL
1.1 Introduction
1.2 Environnement des signaux dans un système sans fil
1.2.1 Technique de modulation pour un système mono-utilisateur
1.2.1.1 Modulation à étalement de spectre par séquence directe
1.2.1.2 Modulation à étalement de spectre par saut de fréquence
1.2.1.3 Modulation multi-porteuse
1.2.2 Techniques d’accès multiple
1.2.3 Modélisation d’un canal sans fil
1.2.3.1 Caractéristiques d’un canal sans fil
1.2.3.2 Modèle analytique d’un canal sans fil
1.3 Traitement de base des signaux dans les systèmes sans fil
1.3.1 Filtre adapté et récepteur RAKE
1.3.2 Egalisation
1.3.2.1 Définition (1.1)
1.3.2.2 Les techniques d’égalisations
1.3.3 Notion sur la détection multiutilisateur
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 : LES DIFFERENTES TECHNIQUES AVANCEES DE RECEPTION DE SIGNAUX
2.1 Détection multiutilisateur aveugle
2.1.1 Introduction
2.1.2 Récepteur linéaire pour un système CDMA synchrone
2.1.2.1 Modèle de signal dans un système CDMA synchrone
2.1.2.2 Détecteur décorrélateur linéaire
2.1.2.3 Détecteur MMSE linéaire
2.2 Détection multiutilisateur aveugle par la méthode directe
2.2.1 Traitements par lots
2.2.2 Traitements récursifs
2.2.2.1 L’algorithme LMS
2.2.2.2 L’algorithme RLS
2.2.2.3 L’algorithme QR-RLS
2.3 Détection multiutilisateur aveugle par la méthode de sous-espace
2.3.1 Introduction
2.3.2 Détecteur décorrélateur linéaire
2.3.3 Détecteur MMSE linéaire
2.4 Détection multiutilisateur aveugle dans un canal multi-trajet
2.4.1 Introduction
2.4.2 Modèle de signal dans un canal multi-trajet
2.4.3 Détecteur multiutilisateur linéaire
2.4.3.1 Détecteur décorrélateur linéaire
2.4.3.2 Détecteur MMSE linéaire
2.4.3.3 Détecteur linéaire utilisant le sous-espace
2.4.4 Estimation aveugle d’un canal multi-trajet
2.5 Détection multiutilisateur groupe-aveugle
2.5.1 Introduction
2.5.2 Détection multiutilisateur groupe-aveugle dans un système CDMA synchrone
2.5.2.1 Détecteur décorrélateur groupe-aveugle linéaire
2.5.2.2 Détecteur MMSE groupe-aveugle linéaire
2.5.2.3 Détecteur hybride groupe-aveugle linéaire
2.5.3 Conclusion
CHAPITER 3: TRAITEMENT DE SIGNAL DANS LES SYSTEMES COFDM
3.1 Introduction
3.2 Système de communication OFDM
3.2.1 Traitement de signal par la méthode bayésienne de Monte Carlo
3.2.1.1 Introduction
3.2.1.2 Le Framework Bayésien
3.2.1.3 La méthode de Monte Carlo
3.2.2 Traitement de signal par la méthode MCMC
3.2.2.1 L’algorithme de Metropolis-Hastings
3.2.2.2 L’échantillonneur de Gibbs
3.3 Récepteur MCMC aveugle pour un système OFDM codé
3.3.1 Introduction
3.3.2 Description du système
3.3.2.1 Model d’un canal présentant un résidu de fréquences porteuses
3.3.2.2 Formulation bayésienne d’une démodulation optimale
3.3.3 Démodulateur MCMC bayésien
3.3.3.1 Méthode I : l’algorithme de Metropolis-Hastings
3.3.3.2 Méthode II : l’échantillonneur de Gibbs avec une linéarisation locale
3.3.3.3 Méthode III : Pas d’échantillonnage
3.3.4 Turbo récepteur aveugle bayésien
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 : PERFORMENCE ET ANALYSE DES DIVERS TECHNIQUES
4.1 Performance d’un détecteur multiutilisateur aveugle
4.1.1 Introduction sur le SINR et BER
4.1.2 Performance d’un détecteur multiutilisateur avec erreur
4.1.3 SINR asymptotique
4.1.3.1 Pour les systèmes à signaux orthogonaux
4.1.3.2 Pour les systèmes à signaux équi-corrélés avec un control de la puissance
4.1.4 Variation des paramètres de performance
4.2 Performance d’un détecteur multiutilisateur groupe-aveugle
4.2.1 Performance d’un détecteur hybride groupe-aveugle-FORME I
4.2.1.1 Pour un système à signaux orthogonaux
4.2.1.2 Pour un système à signaux équi-corrélés avec un control de la puissance
4.2.2 Performance d’un détecteur hybride groupe-aveugle-FORME II
4.2.2.1 Pour un système à signaux orthogonaux
4.2.2.2 Pour un système à signaux équi-corrélés avec un control de la puissance
4.2.3 Variation des paramètres de performance
4.3 Performance d’un système COFDM
4.3.1 SNR
4.3.2 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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